ヌクレオチド置換型突然変異の頻度

DNA分子は同じ生体構成成分であるタンパク質と比較して物理化学的に安定であると言われている。しかし、実際には遺伝子コードそのものである塩基部分はそれほど安定ではない。
DNAの損傷マーカーの１つに8-OH-デオキシグアノシン（8-OHdG）が上げられる。これは活性酸素やUVによってグアニン塩基が損傷を受けて生じるものであるが、この塩基はグアニンが通常ペアーを作るシトシンの代わりにアデニンとペアーを作ってしまうことがあることが知られている*１。そのためこの損傷は突然変異の原因の１つであるが、自然状態でもこの8-OHdGは塩基あたり1×10^-6個存在することが知られている。ヒト遺伝子DNAの全ヌクレオチド数はおよそ3×10^9であるから、核DNA分子中に3×10^3個の変異が常に存在し、修復されていることになる。8-OHdGの他にも同様の突然変異の原因である水酸化塩基として2-OH-デオキシアデノシンなどが知られている。これらの存在頻度は8-OHdGと比べて低い。細胞内は多くの刺激により様々な異常が生じているが、それらは多様な修復機構の存在により安定に保たれている。同様に核DNAも破損しても常に修復されることにより、安定にみえているのに過ぎない。

むろんこの修復にも限界があり、変異がそのまま残る場合も少なくない。体細胞であれば、これはがんの原因のひとつであることは間違いないが、子孫に遺伝することはない。しかし生殖細胞であれば遺伝する。過去の研究により、世代あたりのヌクレオチド置換型突然変異の頻度は１×10^-8であることがわかっている。この値は先程の8-OHdGの頻度と比べるとかなり低い。これはほとんどの変異が修復されていたり、変異DNAを持つ細胞が何らかの手段で排除されたり、あるいは変異を持った個体が発生途中あるいは誕生直後に致死に至るなどの理由で子孫に遺伝しなかったことを意味している。また、すでに見つかっているのかもしれないが、生殖細胞には体細胞にはない変異防御機構が存在することも考えられる。

この世代あたりのヌクレオチド置換型突然変異の頻度より、親と子供間のヌクレオチド突然変異数はおよそ30であることが算出される。このほとんどは中立変異であると予測される。放影研によって、電気泳動の移動度に変化を生じさせる突然変異の遺伝子座あたりの割合は、世代あたり約0.5×10^-5である*2ことが報告されている。ヒトの遺伝子は約30,000個と言われており、このことからタンパク質のアミノ酸配列に変化を与える、すなわち形質に影響を与える変異は、世代あたり約0.3となる。つまりおよそ3組に１組の親子間で形質に影響を与える変異が起こっている計算になる。これほどの高い確率で表現型に影響を与える変異が起こっているのならば、大部分は中立かほぼ中立あるいは不利な変異であったとしても、集団としてみた場合、中には生存に有利な変異も起こることは容易に想像できる。むろんこの数値は集団内への固定確率とは全く異なるものであるが、遺伝子レベルでは進化という現象は常に起き続けていると考えてよいと思われる。今回はヌクレオチド置換型突然変異のみ考慮しているが、他にも遺伝子そのものの重複など様々な変異などがあり、むろんこれらの影響も大きい。

ごく最近Nature誌にダーウィンフィンチの進化に関してマイクロアレイ法を用いて解析を行った研究が報告されている*3。著者らは、７種のフィンチを用いて、その発生途中のくちばし原基において発現しているmRNAを解析している。その結果、カルモジュリンがくちばしの伸長に影響を与えていることが見いだされた。同じ著者らの過去の研究結果と併せて、フィンチのくちばしの形成にはカルモジュリンとBMP4（bone morphogenetic protein 4）の両者が大きく関与していることが示されている。これらの発現系の調節系といった、さほど大きな変異があるとは思えない変異によって、形態が大きく影響を受け、種としての違いが生じていることは非常に興味深い。

１：Cheng KC, Cahill DS, Kasai H, Nishimura S, Loeb LA. 8-Hydroxyguanine, an abundant form of oxidative DNA damage, causes G----T and A----C substitutions. J Biol Chem. 1992;267:166-72.
２：http://www.rerf.or.jp/nihongo/radefx/genetics/bloodpro.htm
３：Abzhanov A, Kuo WP, Hartmann C, Grant BR, Grant PR, Tabin CJ. The calmodulin pathway and evolution of elongated beak morphology in Darwin's finches. Nature. 2006;442:563-7.